ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра физики Морев А.В., Тимерзянова И.И. ИЗУЧЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО КУРСУ «ФИЗИКА» для студентов специальности 230201 “Информационные системы и технологии” очной формы обучения Тюмень, 2009

УДК 537.6/.8

M-79

Морев А.В., Тимерзянова И.И. Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов: методические указания к лабораторной работе по курсу «Физика» для студентов специальности 230201 “Информационные системы и технологии” очной формы обучения. - Тюмень: РИО ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2009. – 13 с.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы по курсу общей физики, раздел «Магнетизм».

Методические указания содержат краткую теоретическую часть и контрольные вопросы. В пособии даны методические рекомендации по порядку выполнения работы, математической обработке результатов измерений и оформлению таблиц.

Рецензент: Решетникова Л.А.

Тираж 50 экз.

© ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет »

© Морев А.В.

Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет »

Содержание

1. Краткая теория . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Описание установки и метода измерений . . . . . . . . . . . . . . . 8

3. Порядок выполнения работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4. Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5. Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:	изучение кривой намагничивания, определение коэрцитивной силы, и остаточной намагниченности ферромагнетика по петле гистерезиса
ОБОРУДОВАНИЕ:	лабораторный комплекс ЛКЭ-1, стальной стержень, двухканальный осциллограф ОСУ-20, генератор сигналов ГСФ-2

1 Краткая теория

В общем случае вектор магнитной индукции в среде связан с напряженностью магнитного поля соотношением

(1)

где μ₀ - магнитная постоянная; μ - магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме.

Магнитная индукция в среде определяется напряженностью магнитного поля в вакууме и намагниченностью среды:

(2)

где – вектор намагниченности, равный магнитному моменту единицы объема магнетика.

В несильных полях намагниченность прямо пропорциональна напряженности поля, вызывающего намагничивание:

(3)

где χ - магнитная восприимчивость среды.

Учитывая (3), преобразуем (2):

(4)

Из сравнения (1) и (4) следует, что

(5)

Магнитная восприимчивость χ и магнитная проницаемость μ характеризуют магнитные свойства вещества.

Если магнитная восприимчивость отрицательна (χ < 0), то вещества называются диамагнетиками. Вещества с положительной магнитной восприимчивостью (χ > 0) называются парамагнетиками. Отметим, что магнитная проницаемость μ диа- и парамагнетики близка к единице (вода – 0.999991, вольфрам – 1.00175).

Помимо рассмотренных двух классов веществ – диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества – ферромагнетики – твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величины лежит в пределах 10²–10⁵.

Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – на мягкие и жесткие материалы. Мягкие ферромагнетики почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К мягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы.

Жесткие ферромагнетики сохраняют в значительной мере свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами жестких материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Жесткие ферромагнетики используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Так характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемый гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца.

Природа ферромагнетизма объясняется на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм можно объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка 10^–2–10^–4см. Эти области называютсядоменами.Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

В ненамагниченном веществе магнитные моменты отдельных доменов компенсируют друг друга, и общий магнитный момент образца равен нулю. Внешнее магнитное поле в ферромагнетиках переориентирует магнитные моменты доменов, вследствие чего появляется результирующее намагничивание, отличное от нуля.

Замкнутая кривая,выражающая зависимость индукцииBмагнитного поля от напряженностиHполя, представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса (рисунок 1).

Если ненамагниченный ферромагнетик поместить в пространство с постепенно увеличивающимся магнитным полем, то зависимость В отН (кривая намагничивания) выразится участком 0–1 на рисунке 1 (начальная кривая намагничивания).

Начиная с некоторого значения Н=H_макс, дальнейшее увеличение поля не дает увеличения индукцииВ, что соответствует горизонтальному участку на графике. Это явление носит название магнитного насыщения.

Такой характер зависимости В(Н) можно объяснить тем, что первоначально под действием возрастающего намагничивающего поля увеличивается степень ориентации магнитных моментов вдоль направления поля, процесс ориентации замедляется по мере того, как все меньше и меньше остается неориентированных моментов. Когда же все магнитные моменты ориентируются по полю, дальнейшее увеличениеВпрекращается, т.е. проявляется явление насыщения.

Рисунок 1 – Петля гистерезиса ферромагнетика

При уменьшении напряженности поля Ндо нуля магнитная индукция изменяется по кривой1–2, которая не совпадает с кривой 0–1. ПриН=0 величина индукцииВравна так называемойостаточной магнитной индукции В_ост.

Чтобы полностью размагнитить ферромагнетик, необходимо создать внешнее поле обратного направления. Напряженность Н_кполя, при которой индукция обратится в нуль, называетсякоэрцитивной силой.

При изменении поля от 0 до –Н_максизменение индукции представляется кривой2–3–4, при изменении поля от –Ндо нуля – кривой4–5, симметричной по отношению к1–2, и при завершении цикла, т.е. при увеличении поля от нуля до +Н_макс, – кривой5–6–1.

Замкнутая кривя 1–2–3–4–5–6 (рисунок 1) называетсяпетлей гистерезиса ферромагнетика.